豫西山区典型林分近自然状态特征分析

闫东锋，牛梦鹤，吴桂藏，张 振，杨喜田

（河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002）

豫西山区典型林分近自然状态特征分析

闫东锋，牛梦鹤，吴桂藏，张 振，杨喜田

（河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002）

近自然森林经营是达到持续发挥生态服务功能目标的一个重要途径，对目标林分进行近自然状态分析是开展科学森林经营活动的前提。以豫西山区4种典型林分（栎类纯林、阔杂林、松栎混交林和油松纯林）为研究对象，在构建近自然状态评价指标体系的基础上，采用PCoA(Principal coordinates analysis)坐标分析法对林分之间的相异关系和林分近自然状态进行了分析。研究结果表明，从林分上层结构特征、林分下层结构特征和林分地表根系结构特征3方面构建的近自然状态评价指标体系能够很好反映林分之间的差异信息；PCoA坐标排序轴前2轴解释的方差占总方差94.79%；排序图显示，松栎混交林与阔杂林较接近，阔杂林与栎类纯林较接近，而栎类纯林与油松纯林较接近。将研究区油松纯林、阔杂林、松栎混交林和栎类纯林4个30 年生的中龄林分近自然状态分别划分为人工、天然、近天然和半天然，对各林分类型从林木竞争、林分结构、林分生长、林下更新能力和地表根系发育等方面进行了描述，并提出了近自然林森林经营策略。林分近自然状态评价对于制定科学合理的抚育经营措施具有重要意义。

林分类型；PCoA坐标分析；近自然森林经营；评价指标体系；豫西山区

长期以来，发展林业的首要目标就是生产木材，而森林经营是为了可持续的生产木材，从上世纪80年代开始，相比于传统的森林产品，生态系统整体功能的发挥被看作是森林经营的首要目标[1-2]。近年来，区别于以前的森林经营理念，发源于欧洲的基于自然（Nature-Based）和近自然（Close-To-Nature, CTN）森林经营理念和方法开始被接受[3]，并逐步在我国森林经营实践中得到运用[4-6]。近自然森林经营方法以永久性林分覆盖、多功能经营和高品质产品生产为目标的森林经营体系[7-8]。在开展近自然林经营活动时，首先要对现实林分的近自然状态进行分析评价，而构建评价指标体系被认为是一种可靠的途径[9]。关于近自然状态评价的研究，大部分研究都是在建立评价指标体系的基础上，采用量化、非量化或两者相结合的手段进行评价[10-11]，在评价方法上，主要是以“自然林分”作为参照系进行比较评价，或根据经验采用“特征值定性评估”方法进行评价，或利用AHP层次分析法或专家打分法进行分析评价，但是这些方法往往受人为因素影响比较大，无法进行客观准确评价。建立能够充分反映林分差异的主要评价指标体系，采用量化、非线性和更为直观、易于实施的评价方法，是开展近自然状态评价的关键。

豫西山区是河南森林主要分布区，是北亚热带向暖温带的过渡区，分布着类型较为完整的地带性植被。经过多年的植被生态建设，该区保存着大面积缺乏有效连续抚育的中幼龄林，普遍存在着林分结构单一、物种多样性低下、生长发育潜力不足和病虫害严重等问题，导致森林生态系统稳定性不高，恢复力较差和抗逆力不足。本研究选取具有代表性的4种林分类型，通过野外样地调查和室内分析，在构建近自然状态评价指标体系和指标分析的基础上，利用PCoA坐标分析法进行林分近自然状态评价，提出林分近自然森林经营策略。构建的评价指标体系对于开展科学的林分状态分析评价和监测具有一定的借鉴意义，引入的PCoA坐标分析方法可以快速直观的对现有林分进行分析，提出的近自然林森林经验策略可以为探寻科学的森林抚育经营技术措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于豫西三门峡甘山林场和济源邵原林场，分布着豫西山区典型地带性植被，主要森林类型为阔叶纯林、针阔混交林、阔杂林和针叶纯林等。调查区域森林经营和保护状况良好。该区属暖温带-亚热带和湿润-半湿润季风气候。年平均气温为12～16 ℃，无霜期180～240 d，年降水量500～900 mm，且多集中在 7－8 月。森林群落建群种有栓皮栎Quercus variabilis、麻栎Quercus acutissima、锐齿栎Quercus alinavar.acuteserrata、槲栎Quercus aliena和油松Pinus tabulaeformis等树种。

1.2 样地设置

根据森林经营历史资料，选择生长环境条件和森林经营措施基本一致，林分年龄约为30 a的栎类纯林、阔杂林、松栎混交林和油松纯林等4块中龄林分进行样地调查，记录环境因子和位置信息，每个林分类型设置面积为0.067 hm2重复样地4块，共16块样地。对选定样地开展测树学和生态学调查，包括每木检尺、物种多样性调查、林下更新调查、土壤调查、地表凋落物和根系调查等。林下植被及凋落物采用全部收获法，在各个样地内沿对角线和中心设置5个1 m×1 m的小样方，将样方内的林下植被全部挖起，分地上、地下部分称其鲜质量，均匀混合后取样200 g左右。根系调查是在样地四角及中心选取5个样点，然后在各样点采用大环刀（直径7.5 cm，高10 cm，体积441.6 cm3），分别取0 ～10 cm和10 ～20 cm土层的包含有土壤和根系的土壤样柱装入布袋并及时冷藏保存。样地概况如表1所示。

1.3 样品分析

植物和凋落物样品在85 ℃下烘干至恒质量，用于生物量推算。将野外采集的根系样品放入筛网中进行清洗，直至根系表层无土壤残留，然后采用根系扫描系统WINRhizo对根系进行扫描，输出根系结构特征指标如根长密度（Root length density，RLD）、根表面积密度 (Root surface area density，RSAD)、根体积密度(Root volume density，RVD)和根平均直径(Root average diameter，RAD)[12]。将扫描后的根系样品置于70 ℃恒温下的鼓风干燥箱中，经48 h后称其干质量，计算根生物量（Root biomass，RB）。

表1 调查林分基本情况Table 1 Basic information of sampling plots in different stand types

1.4 数据处理

利用R软件(https://cran.r-project.org/mirrors/,R version 3.3.1)平台[13]，使用Vegan(version 2.4-0)软件包[14]对样地进行PCoA坐标分析，计算过程是先利用decostand函数对近自然状态评价指标矩阵进行标准化，然后使用vegdist函数计算样地之间Bray-Curtis距离矩阵，最后利用cmdscale函数进行主坐标分析。评价指标的方差置换检验利用LmPerm(version 2.1.0)[15]avop函数进行。不同林分类型之间的状态评价指标的差异性检验采用R软件kruskal.test函数进行Kruskal-wallis非参数显著性检验。

2 结果与分析

2.1 近自然状态评价指标体系的构建

根据近自然森林经营的内涵、功能和实践，结合研究区森林经营目标，按照易于获取性、代表性、兼顾完整性的原则构建林分近自然状态评价指标体系。该指标体系由代表林分上层结构特征（郁闭度、林分密度、乔木Shannon-Wiener指数、林分平均胸径、林分平均树高、优势种重要值和林分活立木蓄积量）、林分下层结构特征（地表覆盖度、更新密度、更新丰富度、灌草生物量和腐殖质生物量）和林分地表根系结构特征（根生物量、根长密度、根表面积密度、根体积密度和根平均直径）3个方面的17个评价指标组成（见表2）。在构建本评价指标体系时，在考虑林分上层结构特征和下层结构特征的同时，增加了林分地表层根系生长结构特征指标，将之纳入近自然度评价指标体系，使评价指标体系更具代表性。

表2 林分近自然状态评价指标体系Table 2 Evaluation index system of stages of stand close-to-nature

2.2 不同林分类型主要评价指标差异规律

2.2.1 主要评价指标置换检验

对代表4个林分类型的16个样地评价指标值进行方差置换检验（见表3），结果表明，在4个植被类型之间，除郁闭度、地被覆盖度和灌草生物量差异不显著（P＞0.05）外，其他各评价指标差异显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01），其中林分平均胸径、林分平均树高、更新密度、腐殖质生物量、根长密度、根表面积密度和根体积密度差异极显著（P＜0.001）。这说明选取的指标能充分描述4个植被类型之间的差异。

表3 不同林分类型近自然状态评价指标方差置换分析†Table 3 Permuted analysis of variance of evaluation index of close-to-nature for different types of stands

2.2.2 不同林分上层结构特征分析

对置换检验中差异显著的林分上层结构特征指标（林分密度、乔木Shannon-Wiener指数、林分平均胸径、林分平均树高、优势种重要值和林分活立木蓄积量）进行统计分析，绘制不同林分类型各指标值箱图（中位数作为平均指标）并进行Kruskal-wallis非参数显著性检验，结果见图1。由图可知，栎类纯林林分密度显著高于其他3个林分类型（P＜0.05），松栎混交林林分密度显著高于阔杂林（P＜0.05），而和油松纯林差异不显著（P＞0.05），这可能是栎类纯林自然稀疏能力较弱或实生更新能力较强的原因。阔杂林乔木Shannon-Wiener指数显著高于栎类纯林、松栎混交林和油松纯林（P＜0.05），栎类纯林和油松纯林乔木Shannon-Wiener差异不显著（P＞0.05），且均显著小于其他林分类型（P＜0.05）。这说明阔杂林乔木多样性最丰富，而2个纯林类型（栎类纯林和油松纯林）乔木多样性较低，在维持物种多样性方面，阔杂林最好。

图1 林分上层结构特征评价指标变化趋势Fig.1 Trend plots of the evaluation index values of overstory structural characteristics

阔杂林的优势种重要值显著低于其他林分类型（P＜0.05），而松栎混交林活立木蓄积量显著低于其他林分类型（P＜0.05）。阔杂林的林分平均胸径和林分平均树高均显著高于其他3个林分类型（P＜0.05），油松纯林平均胸径和林分平均树高均显著低于其他3个林分类型（P＜0.05）。这说明相同的时间内，阔杂林的林地木材产出较高，而油松由于生长速度慢，产出较少。

2.2.3 林分下层结构特征指标分析

通过对不同林分类型林分下层结构特征评价指标（更新丰富度、腐殖质生物量和更新密度）变化趋势进行比较分析（见图2）后发现，阔杂林的林下更新丰富度显著高于其他3个林分类型（P＜0.05），而栎类纯林林下更新丰富度显著低于其他3个林分类型（P＜0.05），且与油松纯林差异不显著（P＞0.05）。这表明阔杂林林下更新苗种类较多，而栎类纯林和油松纯林更新苗种类较少，这也是纯林环境不利于其他更新种进入定居的一种体现。

图2 林分下层结构特征评价指标变化趋势Fig.2 Trend plots of the evaluation index values of understory structural characteristics

从林下更新密度来看，松栎混交林更新密度最大，显著高于其他林分类型（P＜0.05），更新密度最低的为油松纯林，这与关于更新丰富度的分析结果一致，即针叶纯林最不利于林下更新。4个林分类型之间林下腐殖质生物量存在差异显著（P＜0.05），其大小关系为：栎类纯林＞阔杂林＞松栎混交林＞油松纯林。因为栎类纯林作为落叶阔叶林，落叶丰富，积累了更多的枯枝落叶，而油松凋落物积累较少。

2.2.4 林分地表根系结构特征指标分析

对4个林分类型地表根系结构特征指标进行置换检验和差异显著性检验后发现，松栎混交林的根生物量显著高于其他3个林分类型（P＜0.05），而栎类纯林、阔杂林和油松纯林这3个林分类型根生物量无显著差别（P＞0.05）。根长密度、根表面积密度和根体积密度在4个林分类型之间大小关系基本一致，即阔杂林和松栎混交林指标值最高且差异不显著（P＞0.05），但是均显著高于栎类纯林和油松纯林（P＜0.05），而栎类纯林指标值显著高于油松纯林（P＜0.05）。这说明阔杂林和松栎混交林林下根系发育状况相似，而栎类纯林和油松纯林状况相似。根系平均直径在4个林分类型之间的大小关系为：油松纯林＞栎类纯林＞松栎混交林＞阔杂林（见图3）。

2.3 近自然状态特征分析和近自然经营措施

2.3.1 PCoA坐标分析

对16块样地17项评价指标值计算其Bray-Curtis距离矩阵，然后进行PCoA坐标分析来揭示不同林分类型之间的相似程度与差别程度，结果见图4。由图4可知，第1和第2排序轴解释的方差占总方差94.79%，其中第1排序轴方差解释比例为78.82%，第2排序轴方差解释比例为15.97%，能够解释大部分信息，这也说明指标选取是科学合理的。从排序图可以看出，16块样地沿排序轴有序的排列，从上到下，左到右分别聚集排列着油松纯林、栎类纯林、阔杂林和松栎混交林4种林分类型的样地，而林分类型之间的中心距离差异明显。林分类型之间的相异性和相似性可以解释近自然状态相似程度的大小。从排序图可以清晰的看出，松栎混交林与阔杂林较接近，而阔杂林与栎类纯林较接近，栎类纯林与油松纯林较接近。

2.3.2 近自然状态特征分析评价和近自然经营措施

综合基于近自然状态评价指标的PCoA坐标排序图，4个林分类型近自然状态评价指标趋势图，近自然森林经营的内涵、目标及其功能和相关研究成果[16]，对4个林分类型从林木竞争、林分结构、林分生长、林下更新能力和地表根系发育等方面对林分近自然状态特征进行分析评价（见表4）。研究区油松纯林、阔杂林、松栎混交林和栎类纯林4个30年生的中龄林分近自然状态分别为人工、天然、近天然和半天然。

要想实现近自然经营目标，采用目标树作业技术体系对林分进行经营改造是一个有效途径，最终可以逐步营造出近自然的林分。油松纯林作为研究区典型的人工林，其生态服务功能价值不高，在实践中必须加以改造，如逐步引入阔叶树或皆伐改造等。栎类纯林为研究区主要的林分类型，其林分密度大，物种多样性低，生长发育较慢，林下更新种类单一，但更新苗数量较大，具备一定自然更新能力。对栎类纯林的近自然化经营必须重视高质量实生更新苗的培育和保护，使其尽早进入主林层，才能够逐步替代以萌生和低质实生苗为主要更新种的林分。松栎混交林在研究区是一种较为理想的近自然林分类型，经过30 a发育，自然稀疏造就了合理的林分密度，物种多样性维持机制基本建立，天然更新能力较强，林地生产力较高，对于这种林分，应尽量减少不必要的森林经营，可以有目的的引入一些珍稀优质的树种作为更新种，同时注重大径级林木的培育。阔杂林往往是以乡土阔叶树种为主，林分密度、种间关系、物种多样性和林下更新维持均处于一个较好的状态，其生态功能发挥较稳定，但是高价值的木材产出往往水平不高，对阔杂林要有目的的引入珍稀的树种，提升林地产出。

图3 林分地表根系结构特征评价指标变化趋势Fig.3 Trend plots of the evaluation index values of surface root structural characteristics

图4 不同林分类型PCoA坐标排序Fig.4 Principal coordinates analysis (PCoA) of different types of stands

3 结论与讨论

（1）近自然状态评价指标体系的构建，必须建立在对近自然森林经营理论及其内涵准确把握的基础上。近自然森林经营是相对于传统不可持续的森林经营模式而言，如皆伐、营造人工纯林等，该模式往往会造成林地退化、易于遭受自然灾害等现象的发生，而近自然森林经营的目标并不是回归到天然的森林类型，而是在利用自然动力，通过尽可能少的人为干扰，使林分建立、森林抚育和森林采伐的方式同“潜在的自然植被”的关系相接近[17]。近自然理论的关键在于充分利用森林发育的自然驱动力，将自然、生态融入到森林经营中。那么判断一个特定现实林分是否符合潜在的自然植被，即近自然林标准，对于经营措施的制定具有重要意义。因此，近自然不是基于过去所谓自然的林分，而是基于对林分朝向自然状态发展的动态考虑。前人关于近自然状态评价基本都采用“近自然度”来评价，在评价因子的选择上，不同学者有着不同的侧重，臧颢[18]选取建立了林层指数、自然构成指数和干扰指数指标计量模型进行近自然度评价；Brumelis G等[19]从森林结构、森林物种多样性和干扰程度3个方面对北欧的森林自然度进行了研究；Burton P J等[20]从森林生长、生态系统和气候干扰等方面进行了分析。蔡品迪[21]通过层次分析法从群落组成结构、群落演替和土壤理化质量3个方面筛选评价指标构建评价体系。

表4 林分近自然状态特征分析Table 4 Analysis of the state characteristics of close-tonature of different types of stands

本研究选取了分别描述林分上层结构特征（林分密度、乔木Shannon-Wiener指数、林分平均胸径、林分平均树高、优势种重要值、林分活立木蓄积量）、林分下层结构特征（更新丰富度、腐殖质生物量、更新密度）和林分地表层结构特征（根生物量、根长密度、根表面积密度、根体积密度、根平均直径）的17项评价指标，从森林的结构与功能的角度构建了林分近自然状态评价指标体系，除关注林分上层结构动态外，尤其是关注林分自然驱动力，重点引入林下更新和林下细根发育，主要原因在于植被下层植物群落包含了大部分物种多样性信息，是生态系统的关键组成部分，可以提供许多能够影响并受到森林经营管理活动影响的生态系统功能特征，是决定林分发展方向和评价是否接近自然状态的重要部分。

（2）采用一套科学合理的分析方法，将林分之间的状态差异很好的表现出来，是近自然状态分析评价的关键。目前，关于近自然度评价主要有“自然参照”和“特征值评估”两种理论，“自然参照”的选择往往较为困难，对于“特征值评估”理论的研究较为广泛。对特征值评估理论的实践应用上，评价方法基本分为两类，一类是定量为主方法，但该方法往往以线性为主，如Merganic J等[22]用客观的分级模式建立模型预测判别分析评价森林的自然性；Winter S等[23]研究了森林自然度评估的相对定量参考方法，提出了相对自然度评估方法（RANA）进行自然度评价。一类是基于定性和定量相结合，如郭廷栋等[24]对延安市城郊侧柏纯林及混交林参照“特征值评估”法，采用层次分析建立判断矩阵方法进行了近自然度评价；刘宪钊等[25]综合考虑时间尺度、空间分布格局和干扰程度，定性和定量结合，提出适用于生态学和经营学的森林自然度评价指标体系和方法。

本研究应用的PcoA坐标分析法是在对评价指标值进行标准化、置换检验后，筛选出差异显著的指标，然后计算样地之间的Bray-Curtis距离矩阵，Bray-Curtis距离是基于非线性的，是反映两个群落差异性方面最常用的指标，近年来已广泛用于林学和生态学研究中[26]。在Bray-Curtis距离矩阵基础上，对林分类型之间的差异性进行坐标轴排序和可视化。通过PCoA坐标分析，研究区的4种林分类型之间有明显的差别，距离相近的林分状态相似，本研究排序结果与现实状况基本是一致的，也佐证了本研究所建立的指标体系和所采用的分析方法是可行的。

（3）森林经营可以引导由于人类干扰、自然灾害和其他因素造成的森林破坏恢复到生态系统功能发挥完整的状态。由于林分以人工造林为主，且人为活动频繁，豫西山区的大部分林分生态功能发挥受限，但是，不同林分对外来干扰的适应力和恢复力是不一样的，结构状态良好的林分其功能发挥更好，恢复到正常功能的时间也较短。本研究结果将研究区油松纯林、阔杂林、松栎混交林和栎类纯林4个30年生的中龄林分近自然状态分别划分为人工、天然、近天然和半天然。上述分析结果与彭舜磊等[28-29]对秦岭主要林分类型近自然度评价结果基本是一致的。在森林经营实践中，必须根据不同的林分近自然状态，采取相应的经营措施，才能够取得较好的经营效果。鉴于林分生长的复杂性，本研究虽然尽可能选取生长环境基本一致的林分进行比较，但是仍会存在许多不确定性，需要建立长期定位的观测和更多的样地才可能很好解决，同时，在评价指标选取上，应该引入诸如表征水土保持、环境影响和生理生态等评价指标，这需要在以后的研究中加以考虑。

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Evaluation of the stages of close-to-nature of typical stands in mountainous area of western Henan province

YAN Dongfeng, NIU Menghe, WU Guizang, ZHANG Zhen, YANG Xitian
(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henan, China)

In its origins around the world, forestry was an entity focused on producing wood products such as fuel wood or timber.Silvicultural practices were developed to manage the forest in ways that were sustainable, although primarily focused on sustainability of wood production. Close to nature forestry is a theory and practice that takes the forest as an ecosystem and manages it as such. It is based on reduced human intervention that should be directed to accelerate the processes that nature would do by itself more slowly.Close to nature forest management method was known as an appropriate way to gain this approach. However suitable evaluation on particular stand should be done prior to carry our close-to-nature forest management practice. In this present study, A survey of sixteen plots representing four types of stands (Oak pure stand Broadleaf mixed stand, pine and Oak mixed stand, Pinus pure stand) was conducted in mountainous area of western Henan province. The dissimilarities and stages of close to nature between different stand types were evaluated based on the evaluation index system and Principal Coordinates Analysis (PCoA) method. The overstory structure characteristics, the understory structure characteristics and the surface root structure characteristics were introduced to establish the evaluation index system on the stage of close to nature. Results indicated that most of the dissimilar information between different stand types were measured based on the evaluation index system, so it is reasonable to use the evaluation index system to assess the stage of close to nature. The two main axis accounted for 94.79% of the total variance in the original data set. The observed changes in stand structure were constant for Bray-Curtis distance matrices. Pine and Oak mixed stand plots were more similar to broadleaf stand plots than other stand types, broadleaf stand plots were more similar to Oak pure stand plots than other stand types, and Oak pure stand plots were similar than other stand types. The stages of close to nature of Oak pure stand, Broadleaf mixed stand, pine and Oak mixed stand, Pinus pure stand were classed and named as arti fi cial, nature, close to nature, and semi nature respectively. The condition of tree competition, stand structure, stand growth, regeneration ability and surface root growth were described, the measures were introduced based on theory of close to nature to different stand types. The simplicity and ef fi ciency of the evaluation of stages of close to nature on particular stand make it a useful tool for multiparty monitoring.

stand types; PCoA coordinate analysis; close to nature forest management; evaluation index system; mountainous area in western Henan province

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.002

http: //qks.csuft.edu.cn

S762

A

1673-923X(2017)12-0007-08

2016-10-18

国家自然科学基金(31170580)；河南省科技攻关计划项目(172102110232)；河南省高等学校重点科研项目(17B220001)；河南省高等学校青年骨干教师资助计划（2014GGJS-036）

闫东锋，副教授，博士；E-mail：yandongfeng2002@126.com

闫东锋，牛梦鹤，吴桂藏，等 . 豫西山区典型林分近自然状态特征分析[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(12): 7-14.

[本文编校：文凤鸣]